在Objective-C的內存管理中，其實就是引用計數(reference count)的管理。內存管理就是在程序需要時程序員分配一段內存空間，而當使用完之后將它釋放。如果程序員對內存資源使用不當，有時不僅會造成內存資源浪費，甚至會導致程序crach。我們將會從引用計數和內存管理規則等基本概念開始，然后講述有哪些內存管理方法，最后注意有哪些常見內存問題。
memory management from apple document
為了解釋引用計數，我們做一個類比：員工在辦公室使用燈的情景。
引用PRo Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖
從上面員工在辦公室使用燈的例子，我們對比一下燈的動作與Objective-C對象的動作有什么相似之處：
| 燈的動作 | Objective-C對象的動作 |
|---|---|
| 開燈 | 創建一個對象并獲取它的所有權(ownership) |
| 使用燈 | 獲取對象的所有權 |
| 不使用燈 | 放棄對象的所有權 |
| 關燈 | 釋放對象 |
因為我們是通過引用計數來管理燈，那么我們也可以通過引用計數來管理使用Objective-C對象。
引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖
而Objective-C對象的動作對應有哪些方法以及這些方法對引用計數有什么影響？
| Objective-C對象的動作 | Objective-C對象的方法 |
|---|---|
| 1. 創建一個對象并獲取它的所有權 | alloc/new/copy/mutableCopy (RC = 1) |
| 2. 獲取對象的所有權 | retain (RC + 1) |
| 3. 放棄對象的所有權 | release (RC – 1) |
| 4. 釋放對象 | dealloc (RC = 0 ，此時會調用該方法) |
當你alloc一個對象objc，此時RC=1；在某個地方你又retain這個對象objc，此時RC加1，也就是RC=2；由于調用alloc/retain一次，對應需要調用release一次來釋放對象objc，所以你需要release對象objc兩次，此時RC=0；而當RC=0時，系統會自動調用dealloc方法釋放對象。
在開發中，我們常常都會使用到局部變量，局部變量一個特點就是當它超過作用域時，就會自動釋放。而autorelease pool跟局部變量類似，當執行代碼超過autorelease pool塊時，所有放在autorelease pool的對象都會自動調用release。它的工作原理如下：
NSAutoreleasePool對象autorelease方法NSAutoreleasePool對象
引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖
iOS 5/OS X Lion前的(等下會介紹引入ARC的寫法)實例代碼如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init]; // put object into pool id obj = [[NSObject alloc] init]; [obj autorelease]; [pool drain]; /* 超過autorelease pool作用域范圍時，obj會自動調用release方法 */ |
由于放在autorelease pool的對象并不會馬上釋放，如果有大量圖片數據放在這里的話，將會導致內存不足。
1 | for (int i = 0; i |
iOS/OS X內存管理方法有兩種：手動引用計數(Manual Reference Counting)和自動引用計數(Automatic Reference Counting)。從OS X Lion和iOS 5開始，不再需要程序員手動調用retain和release方法來管理Objective-C對象的內存，而是引入一種新的內存管理機制Automatic Reference Counting(ARC)，簡單來說，它讓編譯器來代替程序員來自動加入retain和release方法來持有和放棄對象的所有權。
在ARC內存管理機制中，id和其他對象類型變量必須是以下四個ownership qualifiers其中一個來修飾：
所以在管理Objective-C對象內存的時候，你必須選擇其中一個，下面會用一些列子來逐個解釋它們的含義以及如何選擇它們。
如果我想創建一個字符串，使用完之后將它釋放調用，使用MRC管理內存的寫法應該是這樣：
1 2 3 4 5 | { NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1 NSLog(@"%@", text); [text release]; //@"Hello, world"對象的RC=0 } |
而如果是使用ARC方式的話，就text對象無需調用release方法，而是當text變量超過作用域時，編譯器來自動加入[text release]方法來釋放內存
1 2 3 4 5 6 7 | { NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1 NSLog(@"%@", text); } /* * 當text超過作用域時，@"Hello, world"對象會自動釋放，RC=0 */ |
而當你將text賦值給其他變量anotherText時，MRC需要retain一下來持有所有權，當text和anotherText使用完之后，各個調用release方法來釋放。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | { NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1 NSLog(@"%@", text); NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"對象的RC=1 [anotherText retain]; //@"Hello, world"對象的RC=2 NSLog(@"%@", anotherText); [text release]; //@"Hello, world"對象的RC=1 [anotherText release]; //@"Hello, world"對象的RC=0 } |
而使用ARC的話，并不需要調用retain和release方法來持有跟釋放對象。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | { NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1 NSLog(@"%@", text); NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"對象的RC=2 NSLog(@"%@", anotherText); } /* * 當text和anotherText超過作用域時，會自動調用[text release]和[anotherText release]方法， @"Hello, world"對象的RC=0 */ |
除了當__strong變量超過作用域時，編譯器會自動加入release語句來釋放內存，如果你將__strong變量重新賦給它其他值，那么編譯器也會自動加入release語句來釋放變量指向之前的對象。例如：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | { NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1 NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"對象的RC=2 NSString *anotherText = @"Sam Lau"; // 由于anotherText對象引用另一個對象@"Sam Lau"，那么就會自動調用[anotherText release]方法，使得@"Hello, world"對象的RC=1, @"Sam Lau"對象的RC=1 } /* * 當text和anotherText超過作用域時，會自動調用[text release]和[anotherText release]方法， * @"Hello, world"對象的RC=0和@"Sam Lau"對象的RC=0 */ |
如果變量var被
__strong修飾，當變量var指向某個對象objc，那么變量var持有某個對象objc的所有權
前面已經提過內存管理的四條規則：
| Objective-C對象的動作 | Objective-C對象的方法 |
|---|---|
| 1. 創建一個對象并獲取它的所有權 | alloc/new/copy/mutableCopy (RC = 1) |
| 2. 獲取對象的所有權 | retain (RC + 1) |
| 3. 放棄對象的所有權 | release (RC – 1) |
| 4. 釋放對象 | dealloc (RC = 0 ，此時會調用該方法) |
我們總結一下編譯器是按以下方法來實現的：
__strong變量來實現，其實編譯器根據__strong修飾符來管理對象內存。但是__strong并不能解決引用循環(Reference Cycle)問題：對象A持有對象B，反過來，對象B持有對象A；這樣會導致不能釋放內存造成內存泄露問題。
引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖
舉一個簡單的例子，有一個類Test有個屬性objc，有兩個對象test1和test2的屬性objc互相引用test1和test2：
1 2 3 4 5 | @interface Test : NSObject @property (strong, nonatomic) id objc; @end |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | { Test *test1 = [Test new]; /* 對象a */ /* test1有一個強引用到對象a */ Test *test2 = [Test new]; /* 對象b */ /* test2有一個強引用到對象b */ test1.objc = test2; /* 對象a的成員變量objc有一個強引用到對象b */ test2.objc = test1; /* 對象b的成員變量objc有一個強引用到對象a */ } /* 當變量test1超過它作用域時，它指向a對象會自動release * 當變量test2超過它作用域時，它指向b對象會自動release * * 此時，b對象的objc成員變量仍持有一個強引用到對象a * 此時，a對象的objc成員變量仍持有一個強引用到對象b * 于是發生內存泄露 */ |
如何解決？于是我們引用一個__weakownership qualifier，被它修飾的變量都不持有對象的所有權，而且當變量指向的對象的RC為0時，變量設置為nil。例如：
1 2 | __weak NSString *text = @"Sam Lau"; NSLog(@"%@", text); |
由于text變量被__weak修飾，text并不持有@"Sam Lau"對象的所有權，@"Sam Lau"對象一創建就馬上被釋放，并且編譯器給出警告??，所以打印結果為(null)。
所以，針對剛才的引用循環問題，只需要將Test類的屬性objc設置weak修飾符，那么就能解決。
1 2 3 4 5 | @interface Test : NSObject @property (weak, nonatomic) id objc; @end |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | { Test *test1 = [Test new]; /* 對象a */ /* test1有一個強引用到對象a */ Test *test2 = [Test new]; /* 對象b */ /* test2有一個強引用到對象b */ test1.objc = test2; /* 對象a的成員變量objc不持有對象b */ test2.objc = test1; /* 對象b的成員變量objc不持有對象a */ } /* 當變量test1超過它作用域時，它指向a對象會自動release * 當變量test2超過它作用域時，它指向b對象會自動release */ |
__unsafe_unretained ownership qualifier，正如名字所示，它是不安全的。它跟__weak相似，被它修飾的變量都不持有對象的所有權，但當變量指向的對象的RC為0時，變量并不設置為nil，而是繼續保存對象的地址；這樣的話，對象有可能已經釋放，但繼續訪問，就會造成非法訪問(Invalid access)。例子如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | __unsafe_unretained id obj0 = nil; { id obj1 = [[NSObject alloc] init]; // 對象A /* 由于obj1是強引用，所以obj1持有對象A的所有權，對象A的RC=1 */ obj0 = obj1; /* 由于obj0是__unsafe_unretained，它不持有對象A的所有權，但能夠引用它，對象A的RC=1 */ NSLog(@"A: %@", obj0); } /* 當obj1超過它的作用域時，它指向的對象A將會自動釋放 */ NSLog(@"B: %@", obj0); /* 由于obj0是__unsafe_unretained，當它指向的對象RC=0時，它會繼續保存對象的地址，所以兩個地址相同 */ |
打印結果是內存地址相同：
如果將__unsafe_unretained改為weak的話，兩個打印結果將不同
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | __weak id obj0 = nil; { id obj1 = [[NSObject alloc] init]; // 對象A /* 由于obj1是強引用，所以obj1持有對象A的所有權，對象A的RC=1 */ obj0 = obj1; /* 由于obj0是__unsafe_unretained，它不持有對象A的所有權，但能夠引用它，對象A的RC=1 */ NSLog(@"A: %@", obj0); } /* 當obj1超過它的作用域時，它指向的對象A將會自動釋放 */ NSLog(@"B: %@", obj0); /* 由于obj0是__weak， 當它指向的對象RC=0時，它會自動設置為nil，所以兩個打印結果將不同*/ |
引入ARC之后，讓我們看看autorelease pool有哪些變化。沒有ARC之前的寫法如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init]; // put object into pool id obj = [[NSObject alloc] init]; [obj autorelease]; [pool drain]; /* 超過autorelease pool作用域范圍時，obj會自動調用release方法 */ |
引入ARC之后，寫法比之前更加簡潔：
1 2 3 | @autoreleasepool { id __autoreleasing obj = [[NSObject alloc] init]; } |
相比之前的創建、使用和釋放NSAutoreleasePool對象，現在你只需要將代碼放在@autoreleasepool塊即可。你也不需要調用autorelease方法了，只需要用__autoreleasing修飾變量即可。
引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖
但是我們很少或基本上不使用autorelease pool。當我們使用XCode創建工程后，有一個app的入口文件main.m使用了它：
1 2 3 4 5 | int main(int argc, char * argv[]) { @autoreleasepool { return UIapplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class])); } } |
有了ARC之后，新的property modifier也被引入到Objective-C類的property，例如：
1 | @property (strong, nonatomic) NSString *text; |
下面有張表來展示property modifier與ownership qualifier的對應關系
| Property modifier | Ownership qualifier |
|---|---|
| strong | __strong |
| retain | __strong |
| copy | __strong |
| weak | __weak |
| assign | __unsafe_unretained |
| unsafe_unretained | __unsafe_unretained |
要想掌握iOS/OS X的內存管理，首先要深入理解引用計數(Reference Count)這個概念以及內存管理的規則；在沒引入ARC之前，我們都是通過retain和release方法來手動管理內存，但引入ARC之后，我們可以借助編譯器來幫忙自動調用retain和release方法來簡化內存管理和減低出錯的可能性。雖然__strong修飾符能夠執行大多數內存管理，但它不能解決引用循環(Reference Cycle)問題，于是又引入另一個修飾符__weak。被__strong修飾的變量都持有對象的所有權，而被__weak修飾的變量并不持有對象所有權。下篇我們介紹使用工具如何解決常見內存問題：懸掛指針和內存泄露。
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